心-身锻炼中影响使用心率变异性评价自主神经功能的因素研究

Shin Lin 沈仲元 Timothy Ross 刘敏译

心-身锻炼中影响使用心率变异性评价自主神经功能的因素研究

Shin Lin 沈仲元 Timothy Ross 刘敏译

心率变异性（HRV）分析是非侵入性评估自主神经功能的常用方法。在许多研究中，低频变异性（LF，如通过快速傅立叶变换产生的功率谱中所示的＜0.15 Hz）被认为是交感神经功能的指标，高频变异性（HF，＞0.15 Hz）作为副交感神经功能的指标。通过对15位心-身锻练习练者和20位非习练者的对照研究，我们发现以下是影响HRV的重要因素。第一，呼吸周期的频率反映在由呼吸性窦性心律不齐（RSA）产生的功率谱中的峰值频率中。在涉及年轻受试者的情况下，即使以单一速率严格控制他们的呼吸，也能在功率谱中看到多个峰；第二，由RSA产生的HRV峰的大小取决于每次呼吸的潮气量和受试者的姿势；第三，在相同条件下，与年龄较大的受试者（年龄在50～70岁）相比，年轻受试者（年龄在20～25岁）通常显示更大的RSA峰值。这种效应常常掩盖了基于其他因素的差异，例如多年的心-身锻练。总之，这项研究表明了HRV分析用于评估自主神经功能的心-身研究可以作为一个有用的工具，但需注意必须采取措施控制所有上述因素。

心率变异性；呼吸性窦性心律不齐；自主神经功能；心-身研究

精神压力被认为是对健康和幸福的主要威胁，这种类型的心理社会状况可以直接或间接地导致许多疾病，小到普通感冒，大到心脏病和癌症［1－3］。由此诸如太极、瑜伽和各种类型静止性冥想的心-身锻练作为重要干预措施在中西医结合领域中应用发展很快。因为越来越多的证据表明它们能够有效地缓解压力［4－6］。这些活动的一个共同特征是心理、身体和呼吸的协调调节。因此，为了了解这些活动对于压力缓解发挥益处的机制，一个重要的实验方法是量化这些调节活动是如何单独和整体地影响自主神经系统的交感神经和副交感神经的。

心电图的心率变异性（HRV）分析长期以来被用作评估自主神经功能的非侵入性方法［7－11］。在这种类型的方法中，低频变异性［LF，由快速傅立叶变换（FFT）产生的功率谱中所示的＜0.15 Hz］被认为是交感神经功能水平的指标，以及高频变异性（HF，＞0.15 Hz）作为副交感神经功能水平的指标。由于影响心率和呼吸速率的许多生理因素对心电图R-R间期有作用［12－14］，因此，应用HRV数据的LF和HF指标解释自主神经平衡功能需要谨慎。在美国加利福尼亚大学尔湾分校和上海气功研究所的心身信号与能量研究实验室中，我们关注的是那些与心-身锻炼相关的生理因素。在下面的结果部分，通过我们在试验中采集的典型图例来说明在心-身研究中为什么要考虑这些因素。

1 材料和方法

1.1 仪器

在这项研究中使用定制的动态心电图检测仪（PI仪器，上海），同时记录心电图和呼吸模式（通过上半身带有拉伸换能器）。采集到的数据下载到计算机上，用相应软件显示原始数据，分析心电数据的时间序列和FFT功率谱。在试验中同时用电子机械肺活量计测定潮气量。

1.2 受试对象

参与研究的有15位经验丰富的心-身锻练习练者和20位没有经验的男性和女性，年龄20～70岁。他们根据美国加利福尼亚大学尔湾分校机构审查委员会批准的协议，提供知情同意书。

2 结果

2.1 与呼吸速率相关的FFT频谱峰值的频率

图1显示出了以特定速率呼吸在FFT功率谱中的相应频率处产生明显峰值的现象。因此，以每分钟6、12或24个循环呼吸的受试者分别在0.1、0.2或0.4 Hz产生峰值。另外，在一个测量期内，分析被试的呼吸从某个频率改变为另一个更高频率时，可以看到与此匹配的两个谱峰（图2）。上面观察到的肺和心脏功能的关联被称为呼吸性窦性心律失常（RSA）［15］。在这项研究中，我们发现在相同的呼吸条件下，与年龄较大的受试者（年龄50～70岁）相比，较年轻的受试者（年龄20～25岁）的RSA峰通常更大。

2.2 单个呼吸频率下的多个FFT频谱峰值

对于我们测试过的部分年轻受试者，在以单一速率呼吸期间的分析，FFT功率谱中都产生了多个大峰（图3）。有对应于呼吸速率的大峰，也可以看到具有减小幅度的附加峰，这些峰值的大小取决于呼吸的潮气量（图4）；峰值大小对潮气量的这种依赖性也已经在以单一速率呼吸时在FFT功率谱中产生单峰的受试者中可以看到。在我们测试的老年受试者中没有看到多个峰。但是还没有进行足够的试验以使得在这一点上得到确定的结论。这种多峰的现象是否具有生理学基础或是分析方案的结果还有待进一步研究。

2.3 姿势影响RSA峰的大小

潮气量不是影响RSA峰大小的唯一参数。在图5所示的试验中，当受试者是仰卧位时，RSA峰最大，坐着时较小，而站立时是最小的。

2.4 冥想期间FFT谱中高频峰值的出现

我们测试的一些相当有经验的心-身锻练习练者，当在冥想期间以缓慢的速率呼吸时可以产生约0.3 Hz的单个高频峰值的FFT功率谱（图6）。当受试者处于深度放松和休息的状态时，这种类型的HF峰值可以反映副交感神经功能水平的真正提高［7－10］。事实上，已经看到一些相当有经验的冥想者在冥想期前后能够保持这样的HF峰值。这可能是由于与没有经验的受试者相比，他们拥有更平静的心理生理状态。

3 讨论

3.1 RSA基础的机制

心电图R-R间期耦合到呼吸吸入-呼气循环，称为RSA的节律性波动，被认为是由自主神经系统调节的［15］。然而，还应当注意的是也可能会涉及其他机制。例如，我们以前观察到，通过药理学抑制剂阻断自主神经功能或通过切断动物中的相关神经而没有消除呼吸速率和心率的协调［16］。这些结果背后的原因需要进一步研究。

3.2 HRV的临床应用

HRV分析广泛用于临床环境中评估自主神经系统的交感神经和副交感神经之间的平衡。这种应用的一个主要领域与心脏功能有关。例如，低的HRV与冠心病风险增加相关［17］，慢性心力衰竭患者在静息时和深呼吸机动期间显示HRV受损［18］。

相关的应用领域还与肺功能有关。HRV已经被显示为决定何时使得患者从机械通气脱离出来的有用参数［19］。它也具有评估慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者有氧能力［20］和呼吸肌力［21］的潜力。

第三个应用领域是睡眠研究。HRV指数已显示出了随睡眠不同阶段变化的趋势［22－23］，其中一些参数的变化已记录在睡眠相关的呼吸障碍患者中［24－25］。

3.3 身心研究与HRV

身心活动通常可以分为两类。第一类是静止冥想，其中受试者于坐姿或站姿中保持不动。例如禅宗禅修、超验冥想，以及一些武术和气功风格中包含的“站立式”冥想练习。第二类是移动冥想，其中主体以重复或可变的运动顺序移动。例如太极拳和瑜伽。这些不同风格的身心活动中的一个共同特征是，几乎每个人都强调缓慢而深的呼吸周期。

一项早期的坐姿伴随着呼吸控制的持续注意力练习的参禅研究中，研究者们比较了脑电图记录额叶中线区的θ波节律作为放松状态的指标［26］。他们从使用几何、非光谱方法分析HRV数据得出结论［27］，与抑郁症交感神经功能指数的对照组数据相比，在放松注意力的状态下伴随着θ波功率的增加。然而，研究者没有发现任何相关的θ波和它们的指数副交感神经功能。在另一项同一时期的研究中，研究人员利用HRV研究了传统的太极拳（气功）冥想和昆达利尼瑜伽，这两种练习都是在坐姿中进行的［28］。他们报告了在这两种有经验的冥想习练者中都有一个与呼吸速率相对应的HF峰。该峰值比这些冥想习练者在冥想之前看到的峰值和不懂冥想的对照组用节拍器引导呼吸速率产生的峰值要大。

HRV也被用于对太极拳的几项研究中，通常被称为“运动中的冥想”，近期综述中总结了这些研究的结论［29］。总体而言，HRV与太极活动的增强似乎是相关的，但肯定的结论还有待进行更多样本量的研究。

3.4 HRV的心理实践与实际应用

对身心健康和康复治疗感兴趣的人常常有以下几个问题：①如何比较不同类型活动的功效？②如何定量衡量培训进度？③如何客观决定教师和学生的资格和成就？由于所有身心健康活动的主要目的是诱导一种平静和轻松的精神状态，所以可以预想的是，HRV对回答这些实际问题是有用的。然而，这里提出的研究结果表明，当尝试将HRV应用于这种实际应用时，应考虑到一些混杂因素。

最重要的是，如这里和其他报告［12－13，28］所示，FFT功率谱中的峰值可以通过独立于压力或放松状态的相应速率的受控呼吸产生。因此，在许多身心活动中常见的每分钟4～6次循环的慢呼吸速率下，在FFT功率谱的LF区域内将存在RSA峰值。与HRV［10］的常见解释相反，该LF峰值并不表示交感神经的张力升高。当使用LF／HF作为交感神经与副交感神经平衡的指标时，会出现类似的问题［29］。因此，在冥想活动中呼吸缓慢可导致LF和LF／HF呈现高值，这可能会误导得出主体处于压力状态的结论。相反，如果受试者以较高的速率呼吸（例如，每分钟12个周期），HF区域中将存在RSA峰值，这可能被错误地解释为理想的放松状态的证据。除了呼吸频率对RSA的影响外，我们先前报道呼吸循环也会引起血压的同步波动［30］。这些变化也可能使测试对象的压力或放松状态的评估复杂化。因此，测试对象必须以相同的呼吸速率才能直接比较其HRV数据。

第二，我们在这里表明，以给定呼吸速率所记录的RSA峰值的大小取决于受试者的姿势。这种现象使得难以直接比较于坐姿与站姿冥想中记录的受试者的HRV峰值。进行太极和瑜伽的受试者的HRV峰值之间的比较更为困难，因为在这些活动中姿势在不断变化。

第三个考虑因素是潜在的HRV评估心-身锻练者的成就水平。在一份报告中，有经验的心-身锻练者似乎比控制受试者的呼吸频率具有更高的RSA峰值［28］。我们还在这里表明，有经验的冥想者可以产生与RSA无关的HF峰。另一方面，我们也在这里展示了潮气量和受试者年龄影响了RSA峰值的大小。这两个观察结果可以混淆不同年龄、多年经验和肺功能的实践者之间的比较。例如，更成功的心-身锻练者往往年龄较大，年龄因素会使他们的HRV峰值低于较少习练但年轻的心-身锻练者。

总之，RSA引起的峰值是HRV功率谱的主要因素。但这些峰值的大小还与潮气量、姿势和测试对象的年龄有关。在使用例如LF和LF／HF等指标作为心-身锻练活动中的交感神经和副交感神经平衡指标时，这些因素必须被考虑在内。

（图和参考文献请查阅前面的英文原文）

［致谢］ 此项工作得到了劳伦斯·洛克菲勒基金会／塞缪爱利能源医学研究计划以及约瑟夫和李索林中医药研究基金的支持。衷心感谢江苏大学外国语学院刘敏和上海中医药大学气功研究所沈仲元分别承担了本文的翻译和审校工作。

R540.41

A

2095－9354（2017）02－0084－10

10.13308／j.issn.2095－9354.2017.02.002

2017－03－15）

（本文编辑：郭欣）

劳伦斯·洛克菲勒基金会／塞缪爱利能源医学研究计划；约瑟夫和李索林中医药研究基金

92697美国加利福尼亚，加州大学尔湾分校生物物理研究中心（Shin Lin，Timothy Ross）；200030上海，上海中医药大学气功研究所（沈仲元）；98195美国西雅图，华盛顿大学桥梁缝隙跨学科建筑研究项目部（Timothy Ross）；212013江苏镇江，江苏大学外国语学院（刘敏）

Shin Lin，教授，美国著名生物物理学家，主要从事应用生物化学、生物物理学、分子生物学和分子生物物理学以及细胞动力学研究，E-mail：shinlin＠uci.edu